4.1.1 晶體生長摻雜

半導(dǎo)體最早的可控?fù)诫s方法，是在拉制單晶時(shí)把摻雜元素溶人鍺、硅熔體中，晶體生長過程中雜質(zhì)原子與基體原子一起固化。圖4.1為20世紀(jì)50年代利用晶體生長過程中改變摻雜元素及其濃度的方法,制造硅npn晶體管的示意圖。這種晶體生長pn結(jié)的方法也是由Shockley最先提出,并由G.K.Teal和M.Sparks在貝爾實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功,成為50年代早期制造晶體管的技術(shù)[.5。按此方法制造npn晶體管,在直拉單晶過程中,需要熔體摻人不同類型與濃度的雜質(zhì)。最先生長摻雜濃度較低的n型硅,作為晶體管的集電區(qū);接著在硅熔體中摻進(jìn)濃度較高的p型雜質(zhì),生長p型導(dǎo)電晶體,作為晶體管基區(qū);最后在熔體中摻人濃度更高的n型雜質(zhì),生長成為晶體管發(fā)射區(qū)。從這種直拉單晶錠中，切割出中間含有n、P、n共3層的硅片,再把硅片切割分離,就得到一個(gè)個(gè)晶體管條塊。中間p型區(qū)以合金方法焊上鋁導(dǎo)線,作為基區(qū)的引出線,條塊兩端與封裝管殼支架上的金屬電極焊接,形成發(fā)射極與集電極,就制成了最初的npn雙極型晶體管產(chǎn)品。

4.1.2 合金pn結(jié)晶體管工藝

合金晶體管工藝是50年代初期發(fā)展的另一種半導(dǎo)體器件制造技術(shù)。在這種工藝中,某些受主或施主雜質(zhì)元素和半導(dǎo)體，先在較低溫度下互熔成合金,隨后在冷卻過程中，半導(dǎo)體表層可形成所需要的p型或n型摻雜區(qū)，從而形成晶體管。圖4.2是利用此方法制造鍺合金結(jié)pnp晶體管的示意圖。在n型鍺晶片的兩面放上純?nèi)齼r(jià)金屬銦球,如圖4.2(a)所示;加熱到156C時(shí)金屬銦就會(huì)熔化,在更高溫度(550C)下,鍺原子可溶人銦,形成In-Ge合金,如圖4.2(b)所示;隨后在晶片溫度下降過程中，鍺原子從合金中析出結(jié)晶,并有銦原子摻入晶片,在n型鍺晶片上下都形成一層銦摻雜的p型鍺,分別形成集電區(qū)和發(fā)射區(qū),如圖4.2(c)所示。與單晶生長分區(qū)摻雜方法相比，合金晶體管制造工藝簡化，晶體材料利用率及生產(chǎn)效率顯著提高，成為早期鍺晶體管主要量產(chǎn)技術(shù)。

4.1.3 擴(kuò)散摻雜工藝

20世紀(jì)50年代中后期發(fā)展的擴(kuò)散摻雜，使半導(dǎo)體器件制造技術(shù)前進(jìn)一大步。通過雜質(zhì)擴(kuò)散改變半導(dǎo)體表層的導(dǎo)電類型,最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.G.Piann提出[6]。在半導(dǎo)體晶片上經(jīng)過一次相反類型雜質(zhì)擴(kuò)散,可以制造Pn結(jié)二極管結(jié)構(gòu)經(jīng)過兩次相反類型雜質(zhì)擴(kuò)散,可制造Pnp或nPn晶體管。n-Si圖4.3為制造npn晶體管的雙擴(kuò)散工藝示意圖。用較低摻雜n型半導(dǎo)體單晶片為襯底,通過一次p型雜質(zhì)高溫?cái)U(kuò)散,使晶片表層形成p型基區(qū)，隨后在晶片同一側(cè)進(jìn)行更高濃度的口黎雜質(zhì)高溫?cái)U(kuò)散,使p型導(dǎo)電區(qū)的表層轉(zhuǎn)變?yōu)閚型,成為晶體管的發(fā)射區(qū)。然后用金屬合金工藝，在基片正面和背面分別形成基區(qū)、發(fā)射區(qū)與集電區(qū)的歐姆接觸電極。最后通過化學(xué)腐蝕、劃片等工藝,把同一晶片分割成許多分立晶體管。也可選用較高濃度n型摻雜單晶片作為襯底，通過外延工藝形成較低摻雜n型單晶薄膜,再先后經(jīng)過p型和n型雜質(zhì)擴(kuò)散,形成基區(qū)與發(fā)射區(qū)。這種高摻雜襯底外延與擴(kuò)散相結(jié)合的工藝，可顯著減小集電極串聯(lián)電阻,有利于改善晶體管性能。

擴(kuò)散摻雜晶體管制造技術(shù)，在性能和生產(chǎn)效率等方面,都顯著優(yōu)于前述兩種摻雜方法。用擴(kuò)散方法可以精確控制摻雜深度，有益于形成薄基區(qū)，晶體管的工作頻率顯著提高。高溫?cái)U(kuò)散可以同時(shí)完成大量晶體管pn結(jié)形成工藝，生產(chǎn)效率以及半導(dǎo)體晶體材料利用率也都大大提高。這樣制作的晶體管還可經(jīng)化學(xué)腐蝕形成邊緣臺(tái)面結(jié)構(gòu)，并用介質(zhì)鈍化周圍界面,常稱為臺(tái)面晶體管。